Alles Leben,
jedes je dagewesene Lebewesen,
wurde gemäß der Information in seiner DNA gebaut.
Was bedeutet das?
So wie die englische Sprache
aus Buchstaben des Alphabets besteht, mit denen man Wörter bildet,
mit denen ich Ihnen heute diese Geschichte erzählen kann
besteht die DNA aus genetischen Buchstaben die, zu Genen gruppiert,
den Zellen erlauben, Proteine zu bilden,
das sind Ketten aus Aminosäuren, die komplex gefaltet sind
und es einer Zelle ermöglichen, zu tun was sie tut,
ihre Geschichte zu erzählen.
Das englische Alphabet hat 26 Buchstaben, das genetische hat vier.
Sie sind sehr berühmt. Vielleicht kennen Sie sie.
Man nennt sie oft einfach nur G, C, A und T.
Doch es ist bemerkenswert, dass die Vielfalt des Lebens
das Ergebnis dieser vier Buchstaben ist.
Stellen Sie sich vor, unser Alphabet hätte vier Buchstaben.
Welche Geschichten könnten Sie erzählen?
Und wenn das genetische Alphabet mehr Buchstaben hätte?
Könnte das Leben mit mehr Buchstaben andere Geschichten erzählen?
Vielleicht sogar interessantere?
1999 begann mein Labor im Scripps Research Institut in La Jolla, Kalifornien
an dieser Frage zu arbeiten, mit dem Ziel, lebende Organismen
aus einer DNA mit sechs Buchstaben zu bauen,
den vier natürlichen plus zwei neuen, künstlichen Buchstaben.
So ein Organismus wäre
die erste drastisch veränderte Lebensform.
Er wäre eine halbsynthetische Form,
die mehr Information speichern könnte, als Leben es je konnte.
Er könnte neue Proteine formen,
Proteine aus mehr als den üblichen 20 Aminosäuren,
die normalerweise Proteine bilden.
Welche Geschichten könnte dieses Leben erzählen?
Dank der synthetischen Chemie und der Molekularbiologie
und etwas unter 20 Jahren Arbeit
bauten wir Bakterien mit einer DNA aus sechs Buchstaben.
Lassen Sie mich erzählen wie.
Alles, was Sie dafür vom Bio-Unterricht wissen müssen, ist,
dass die vier natürlichen Buchstaben zwei Basenpaare bilden.
G paart sich mit C und A mit T.
Um also neue Buchstaben zu finden,
synthetisierten wir hunderte neue Buchstaben
und überprüften ihre Fähigkeit, miteinander Paare zu bilden.
Nach etwa 15 Jahren Arbeit
fanden wir zwei, die ein sehr gutes Paar bildeten,
zumindest im Reagenzglas.
Sie haben komplizierte Namen
nennen wir sie einfach X und Y.
Als nächstes mussten wir einen Weg finden, X und Y in Zellen zu bringen
und fanden schließlich ein Protein, das so etwas bei Algen macht,
und auch bei unseren Bakterien wirkt.
Der letzte Schritt war also, zu zeigen, dass Zellen, die X und Y enthalten,
wachsen, sich teilen und X und Y in ihrer DNA behalten können.
Alle Entwicklungen bis dahin dauerten länger als erhofft --
ich bin eigentlich sehr ungeduldig --
aber dieser Schritt, der wichtigste,
klappte schneller, als ich mir erträumte, eigentlich sofort.
An einem Wochenende im Jahr 2014
züchtete ein Absolvent in meinem Labor Bakterien mit DNA aus sechs Buchstaben.
Ich stelle sie Ihnen gleich vor.
Hier ist ein Foto von ihnen.
Das sind die ersten semisynthetischen Organismen.
Bakterien mit einer DNA aus sechs Buchstaben -- cool, oder?
Manche fragen sich vermutlich immer noch: „Warum?"
Ich erzähle Ihnen mehr über unsere Motivation,
sowohl im philosophischen als auch im praktischen Sinn.
Menschen versuchten schon immer Leben zu verstehen,
was es vom Nicht-Lebendigen unterscheidet.
Viele sahen Leben als etwas Vollkommenes an,
was als Beweis für einen Schöpfer gedeutet wurde.
Lebendige Dinge sind anders, weil ein Gott ihnen Leben einhauchte.
Andere suchten eine wissenschaftlichere Erklärung.
Aber sie halten die Moleküle des Lebens
dennoch für etwas Besonderes.
Die Evolution hat sie ja über Milliarden Jahre optimiert, oder?
Was auch immer Ihre Sichtweise ist, es erscheint unmöglich,
einfach neue Bausteine einzufügen,
die zusammen mit den natürlichen Molekülen des Lebens arbeiten,
ohne alles irgendwie zu vermasseln.
Aber wie perfekt erschaffen oder entwickelt sind wir?
Wie besonders sind die Moleküle des Lebens?
Es war früher unmöglich, diese Fragen zu stellen,
da wir Leben mit nichts vergleichen konnten.
Zum ersten Mal zeigt unsere Arbeit auf,
dass die Moleküle des Lebens vielleicht nicht so besonders sind.
Vielleicht kann das Leben noch ganz andere Formen annehmen.
Vielleicht sind wir nicht die einzige, vielleicht nicht einmal die beste Lösung,
nur eine Lösung.
Das eröffnet grundlegende Fragen über das Leben,
aber sie könnten esoterisch erscheinen.
Was wäre eine praktische Anwendung?
Wir wollen herausfinden, welche neuen Geschichten
das Leben mit mehr Vokabular erzählen könnte
und mit Geschichten meine ich Proteine einer Zelle,
und deren Funktionen.
Welche neuen Proteine mit welchen neuen Funktionen
könnten halbsynthetischen Organismen bilden und vielleicht sogar nutzen?
Wir haben ein paar Ideen.
Wir wollen die Zellen dazu bringen, Proteine für unseren Nutzen zu bilden.
Proteine werden heute für viele verschiedene Anwendungen genutzt:
Von schützenden Materialien für Soldaten,
oder zum Aufspüren von gefährlichen Stoffen,
aber für mich am spannendsten
ist ihre Anwendung in Protein Medikamenten.
Obwohl sie relativ neu sind,
revolutionierten diese Mittel bereits die Medizin.
Eines ist zum Beispiel Insulin.
Sie kennen es vermutlich. Es wird als Medikament verwendet,
das die Behandlung von Diabetes revolutionierte.
Problematisch ist die aufwendige Herstellung der Proteine
und die einzig praktische Lösung sind Zellen, die sie für uns herstellen.
Zellen, die in der Natur vorkommen,
können Proteine nur aus den natürlichen Aminosäuren bilden
und so sind die Eigenschaften dieser Proteine
und ihre möglichen Anwendungen
von den natürlichen Eigenschaften dieser Aminosäuren eingeschränkt,
aus denen die Proteine bestehen.
Das sind sie also,
die 20 natürlichen Aminosäuren, die sich zu einem Protein verketten
und wie Sie sehen, sind sie nicht so unterschiedlich.
Sie haben wenige unterschiedliche Funktionen.
Sie ermöglichen nur wenige unterschiedlichen Funktionen.
Verglichen dazu sind die Moleküle, die für Medikamente erzeugt werden,
viel einfacher als Proteine,
aber man baut sie aus einem viel breiteren Spektrum an Bestandteilen.
Ignorieren wir die molekularen Details.
Sie können sehen, wie verschieden sie sind.
Ihre Unterschiede machen sie zu effektiven Medikamenten,
die verschiedene Krankheiten heilen.
Es ist also sehr reizvoll zu überlegen, welche neuen Medikamente
man entwickeln könnte, wenn Proteine sich diversifizieren ließen.
Können wir unseren halbsynthetischen Organismus
zum Bau von Proteinen mit neuen Aminosäuren bewegen?
Vielleicht Aminosäuren, durch die Proteine mit gewünschten Eigenschaften
oder Funktionen versehen werden könnten?
Zum Beispiel:
Viele Proteine sind im menschlichen Körper instabil.
Sie werden sofort abgebaut oder beseitigt
und können keine Wirkung entfalten.
Was wäre, wenn wir Proteine aus neuen Aminosäuren
mit einem eingebauten Schutz erzeugen,
der sie vor ihrer Umgebung schützt,
und davor, abgebaut oder beseitigt zu werden,
sodass sie wirksamer wären?
Könnten wir Proteine mit kleinen Fingern bilden,
die zielgenau nach anderen Molekülen greifen können?
Viele Moleküle scheiterten in der Medikamenten-Entwicklung,
da sie nicht zielgerichtet genug waren,
um ihr Ziel im komplexen Umfeld des menschlichen Körpers zu finden.
Könnten wir diese Moleküle in neue Aminosäuren einbauen,
die dann innerhalb eines Proteins an ihr Ziel geführt werden?
Ich gründete die Biotech Firma Synthorx.
Der Name steht für Synthetischer Organismus.
Mit einem X am Ende, denn so macht man das in Biotech Unternehmen.
(Gelächter)
Synthorx kooperiert eng mit meinem Labor
und interessiert sich für ein Protein,
das einen bestimmten Rezeptor auf der Oberfläche menschlicher Zellen erkennt.
Das Problem ist, dass dieses Protein
auch einen anderen Rezeptor an den selben Zellen erkennt
und das macht es toxisch.
Könnten wir eine Variante erzeugen,
bei dem jener Teil, der mit dem falschen Rezeptor interagiert,
von einem großen Schirm blockiert wird,
damit das Protein nur mit dem richtigen Rezeptor interagiert?
Das wäre sehr schwierig,
oder unmöglich mit den normalen Aminosäuren,
aber nicht mit jenen, die für diesen Zweck entworfen wurden.
Unsere halbsynthetischen Zellen zu kleinen Fabriken zu machen,
die bessere Medikamente ermöglichen,
ist nicht die einzige interessante Anwendung.
Denn die Proteine ermöglichen es den Zellen, zu tun was sie tun.
Was wäre, wenn wir Zellen hätten, die Proteine mit neuen Funktionen bilden?
Könnten sie Dinge tun, die natürliche Zellen nicht können?
Könnten wir etwa halbsynthetische Organismen entwickeln,
die Krebszellen im menschlichen Körper aufspüren und,
wenn sie sie gefunden haben, mit einem Gift abtöten?
Könnten wir Bakterien entwickeln, die verschiedene Öle abbauen,
vielleicht um Ölteppiche zu beseitigen?
Das sind ein paar Beispiele für Geschichten,
die das Leben mit einem größeren Vokabular erzählen könnte.
Das klingt doch gut, oder?
Menschen mit halbsynthetischen Organismen zu impfen,
Millionen von Litern unserer Bakterien ins Meer
oder an unseren Lieblingsstrand zu kippen?
Das klingt eigentlich ziemlich furchterregend.
Dieser Dinosaurier ist furchterregend.
Aber hier ist der Trick:
Unsere halbsynthetischen Organismen müssen zum Überleben
mit den chemischen Vorstufen von X und Y gefüttert werden.
X und Y unterscheiden sich stark von allem, was in der Natur existiert.
Zellen können sie nicht erzeugen.
Wenn wir sie vorbereiten,
und sie im kontrollierten Laborumfeld züchten,
können wir ihnen dieses künstliche Futter geben.
Wenn wir sie dann in einem Menschen oder an einem Strand einsetzen,
wo sie keinen Zugang zu dem speziellen Futter haben,
können sie eine Weile wachsen, und vielleicht lang genug überleben,
um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen,
doch dann beginnt das Futter knapp zu werden.
Sie beginnen zu hungern.
Sie verhungern und verschwinden einfach.
Wir können das Leben also nicht nur neue Geschichten erzählen lassen,
sondern auch steuern, wann und wo das geschehen soll.
Zu Beginn dieses Vortrags erzählte ich Ihnen, dass wir 2014 von der Erzeugung
der halbsynthetischen Organismen berichteten, die mehr Information,
also X und Y, in ihrer DNA haben.
Aber alle Ziele, über die wir gerade sprachen,
erfordern, dass Zellen Proteine mit X und Y bauen,
also begannen wir daran zu arbeiten.
Innerhalb weniger Jahre zeigten wir, dass Zellen DNA mit X und Y aufnehmen
und sie in die RNA kopieren können.
Und Ende des letzen Jahres zeigten wir,
dass sie X und Y nutzen können, um Proteine zu bauen.
Hier sind die Stars der Show,
die ersten voll funktionalen semisynthetischen Organismen.
(Applaus)
Diese Zellen sind grün, weil sie ein grün-leuchtendes Protein machen.
Mann kennt es von Quallen,
und viele verwenden es in seiner natürlichen Form,
weil es so leicht zu erkennen ist.
Aber in jedem dieser Proteine ist eine neue Aminosäure,
mit der die Natur keine Proteine bilden kann.
Jede lebende Zelle, alles Leben
machte alle seine Proteine
mit den vier genetischen Buchstaben.
Diese Zellen leben, wachsen und bilden Proteine
mit sechs Buchstaben.
Das ist eine neue Lebensform.
Das ist halbsynthetisches Leben.
Wie sieht also die Zukunft aus?
Mein Labor erweitert bereits das genetische Alphabet anderer Zellen,
auch von menschlichen Zellen,
und wir werden auch an komplexeren Organismen arbeiten.
Denken Sie an halbsynthetische Würmer.
Womit ich den Vortrag beenden will,
meine wichtigste Botschaft an Sie ist,
dass die Zeit des halbsynthetischen Lebens
angebrochen ist.
Vielen Dank.
(Applaus)
Chris Anderson: Floyd, das ist so beeindruckend.
Ich möchte Sie fragen,
was bedeutet Ihre Arbeit
im Hinblick auf mögliches Leben,
zum Beispiel im Universum, an anderen Orten?
Viele unserer Annahmen darüber basieren darauf,
dass eine DNA, wie wir sie kennen, vorhanden sein muss.
Gehen die Möglichkeiten von sebst-replikativen Molekülen
über die DNA hinaus, und wenn es nur DNA mit 6 Buchstaben ist?
Floyd Romesberg: Natürlich, das stimmt
und unsere Arbeit hat gezeigt,
dass es immer das Vorurteil gab,
dass wir perfekt und optimiert sind,
dass Gott uns so geschaffen hat,
dass die Evolution uns so optimiert hat.
Unsere künstlichen Moleküle funktionieren neben den natürlichen.
Und das weist darauf hin, dass alle Moleküle,
die den physikalischen und chemischen Grundgesetzen folgen
und die optimierbar sind,
die Funktionen natürlicher Moleküle ausüben können.
Das ist keine Magie.
Und es zeigt,
dass Leben sich unterschiedlich entwickeln kann,
vielleicht so wie wir, nur mit anderer DNA
vielleicht auch ohne DNA.
CA: Wie groß, meinen Sie,
ist der Raum der Möglichkeiten?
Können wir das wissen? Wird es einem DNA Molekül ähneln,
oder kann es etwas anderes sein, das sich auch replizieren
und möglicherweise lebende Organismen erzeugen kann?
FR: Ich denke, falls wir neues Leben finden,
würden wir es vielleicht gar nicht erkennen.
CA: Die verbissene Suche nach Goldilocks Planeten
an der perfekten Stelle, mit Wasser und so weiter
ist vielleicht zu eingeschränkt?
FR: Wenn Sie Leben suchen, mit dem Sie sprechen können, vielleicht nicht,
aber wenn Sie nur nach irgendeiner Lebensform suchen,
stimmt, dann schöpfen wir bei weitem nicht alle Möglichkeiten aus.
CA: Danke für die verblüffenden Einblicke.
Vielen Dank Floyd.
(Applaus)